Onderzoekers van CSC—IT-centrum voor wetenschap, Aalto University en Åbo Akademi en hun medewerkers van de Boston University in de VS hebben voor het eerst op een systematische manier aangetoond hoe de ruis van invloed is op quantum computing. De resultaten worden gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Bij een klassieke computer alle gegevens worden opgesplitst in reeksen bits met de waarden nul en 1, en deze twee waarden komen overeen met de "aan" of "uit" toestanden van de miljoenen kleine elektronische schakelaars in de verwerkingseenheid en het geheugen van de computer.

Volgens de principes van de kwantummechanica, het concept van een bit kan worden gegeneraliseerd naar een "qubit, waarvan de toestand tegelijkertijd nul en één kan zijn en op veel verschillende manieren (een superpositie). Met een groot aantal van deze qubits kan een kwantumcomputer worden gebouwd, die met volledig nieuwe algoritmen en talen moeten worden geprogrammeerd. Een kwantumcomputer kan in principe problemen oplossen die praktisch onmogelijk zijn op te lossen met een klassieke computer, bijvoorbeeld het ontwerpen van nieuwe moleculen of materialen met gewenste eigenschappen door berekeningen op atomair en elektronisch niveau (wat zelf het gebruik van kwantummechanica vereist).

Van een theoretisch concept dat voornamelijk in universitaire laboratoria werd verkend, kwantumcomputers zijn nu snel in opkomst op het commerciële toneel. De beschikbare machines zijn nog grotendeels experimenteel, en worden gebruikt door bedrijven en onderzoeksinstellingen om mogelijke toepassingen te verkennen en zich voor te bereiden op het verwachte tijdperk van "kwantum suprematie" (wat betekent dat kwantumcomputers krachtiger worden dan klassieke, in ieder geval voor sommige problemen).

De qubits zijn erg gevoelig voor ruis

Een grote uitdaging is dat de qubits erg gevoelig zijn voor ruis die hun kwantumsuperpositie snel kan vernietigen. Zelfs als de apparaten worden gekoeld tot slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt van de temperatuur om het geluid dat voortkomt uit de thermische omgeving te minimaliseren, de levensduur van de superpositiestaten is nog steeds erg kort, vaak minder dan een microseconde.

Met een soort kwantumcomputer van het Canadese bedrijf D-Wave Systems, bepaalde optimalisatieproblemen kunnen worden opgelost door het principe van kwantumgloeien. Hier wordt de kwantumeigenschap van de qubits geleidelijk zodanig veranderd dat ze uiteindelijk "quantum bevriezen" in de oplossing van het probleem dat op het apparaat is geprogrammeerd. Echter, dit proces is gevoelig voor ruis op een manier die niet goed wordt begrepen.

Nu heeft een team van onderzoekers van drie Finse instellingen (CSC, Aalto-universiteit, en Abo Akademi University) en hun medewerkers van de Boston University in de VS hebben voor het eerst op systematische wijze aangetoond hoe het geluid een berekening beïnvloedt. Door de tijd te variëren waarin de kwantumeigenschap van de qubits wordt gewijzigd (van microseconden tot milliseconden) en verschillende aantallen gekoppelde qubits in een D-Wave-apparaat te bestuderen, ze waren in staat om een ​​algemeen principe van het ontstaan ​​van defecten (dat wil zeggen fouten in de berekening) te bevestigen.

Volgens dit principe is een langere rekentijd zou een beter resultaat moeten geven, maar de onderzoekers ontdekten dat het geluid de resultaten meer negatief beïnvloedt als de tijd langer is. Ze verklaarden dit gedrag door een wiskundig model, wat een handig hulpmiddel zal zijn voor het diagnosticeren van toekomstige kwantumgloeiapparaten en om de beste manieren te vinden om ze te bedienen.

Volgens teamlid Anders Sandvik (Universiteit van Boston), kwantumgloeiapparaten kunnen binnenkort belangrijke hulpmiddelen worden voor het simuleren van kwantumgedrag van materie, zodra de hoeveelheid ruis verder is verminderd.

"Het succesvolle werk van het team vertegenwoordigt de eerste grote Finse onderzoeksinspanning naar het kwantumgloeiparadigma van kwantumcomputers, " zei Jan Åström, teamlid van CSC. "Quantum computing evolueert snel, en CSC plant aanvullende projecten om de opbouw van een sterke Finse competentie in dit cruciale voorhoedegebied van wetenschap en technologie te bevorderen."